中科院自动化所考研之中科大微机原理课件-总复习篇

中科大微机原理课件总复习为了帮助大家全面复习中科大微机原理课程的内容,我们精心编写了这套详尽的课件,涵盖了从计算机体系结构、指令系统、存储系统到输入输出系统等核心知识点。通过深入浅出的讲解和丰富的实例,帮助同学们牢固掌握这一关键基础课程的精华知识。绪论基础概念介绍微机系统的基本构成和工作原理,为后续详细学习奠定基础。系统架构阐述微机系统的硬件架构,包括CPU、存储器、输入输出设备等关键部件。发展历程回顾微机系统的发展历程,从早期的8位微处理器到如今的高性能芯片。应用领域介绍微机系统广泛应用于工业控制、家用电子、医疗等多个领域。微机系统的硬件结构微机系统的硬件结构包括中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出接口以及总线系统等主要组成部分。CPU负责执行程序指令,存储器用于存储程序和数据,输入/输出接口连接外围设备,总线系统实现各部件间的数据传输与通信。这些核心硬件组件协同工作,形成了完整的微机系统。微机系统硬件结构的设计需要考虑系统的性能、功能、可靠性及成本等因素,通过合理的架构和优化配置,才能满足不同应用场景的需求。CPU的工作过程1读取指令CPU从存储器中读取下一条指令2解码指令CPU对指令进行分析和译码3执行指令CPU执行相应的操作指令4更新寄存器CPU更新相关寄存器的内容5检查中断CPU检查是否有需要处理的中断CPU的工作过程包括读取指令、对指令进行分析和译码、执行相应的操作指令、更新寄存器内容、检查是否有需要处理的中断等步骤。这个循环往复执行,使得CPU能够完成各种计算和控制任务。存储系统内存类型微机系统使用各种类型的内存,包括ROM、RAM、EPROM等,每种内存有其特点和应用场景。存储扩展通过采用多级缓存、页式存储管理、虚拟存储技术等方式,可以有效扩展和管理系统的存储容量。存储控制存储系统需要通过复杂的控制电路和算法来实现地址译码、存取时序控制等功能。存储性能存储系统的速度和带宽直接影响到微机系统的整体性能,需要根据应用需求进行优化。输入输出接口多样的输入输出微机系统需要各种输入输出接口,如串口、并口、USB等,以便与各种外围设备进行数据交换。灵活的接口设计接口设计可根据实际需求选择合适的方式,如采用编程可配置的IO口或专用集成电路接口。实时数据采集输入输出接口可实现对传感器数据的实时采集,并将处理结果输出到执行机构,构成闭环控制系统。总线系统总线概述总线是微机系统中用于连接各个部件的共享通信路径,负责数据、地址和控制信号的传输。它决定了系统的通信机制和性能。总线类型常见的总线有地址总线、数据总线和控制总线。它们各自承担不同的功能,协同工作确保系统正常运行。总线特性总线的带宽、时序、寻址能力等特性直接影响系统的吞吐量和响应速度。合理设计总线架构是提升系统性能的关键。总线仲裁当多个部件同时访问总线时,需要采用仲裁机制来协调它们的访问请求,保证公平性和效率。中断系统中断类型包括硬件中断和软件中断,可以实现系统对各种异常事件的响应。中断优先级根据中断源的重要性设置优先级,确保关键任务得到及时响应。中断处理过程包括保存现场、转移处理、恢复现场等步骤,确保正确执行中断服务程序。中断屏蔽通过屏蔽机制,可以临时屏蔽不重要的中断,确保关键任务的执行。数据传送1数据总线数据总线负责在CPU、存储器和外设之间传输数据,通常由8、16或32根线构成。2地址总线地址总线用于传输存储器单元的地址信息,确定数据在存储器中的位置。3控制总线控制总线传输CPU发出的各种控制信号,用于协调整个系统的工作。程序设计算法设计掌握常见的算法设计策略,如分治法、贪心算法、动态规划等,能够根据问题的特点选择合适的算法。代码组织合理划分模块和函数,遵守编码规范,编写易于维护和扩展的代码结构。编程语言熟练掌握主流编程语言如C/C++、汇编等,能够利用语言特性高效实现程序功能。测试调试采用有效的测试策略,利用各种调试工具检查并修复程序中的逻辑错误和性能问题。寻址方式直接寻址直接使用操作数指明存储单元的地址,是最简单快捷的寻址方式。适用于直接指定地址的情况。间接寻址通过使用地址寄存器来指明存储单元的地址,可以进行灵活的存储器访问。适用于地址不确定的情况。基址寻址将基址寄存器中的值作为基准地址,再加上一个偏移量来确定存储单元地址。适用于访问大块连续的存储区域。索引寻址使用索引寄存器中的值来作为偏移量,与基址寄存器中的值相加来确定存储单元地址。适用于处理数组或列表等数据结构。指令系统指令类型指令系统包括算术逻辑指令、数据传送指令、控制转移指令和子程序指令等不同类型。每种指令都有其特定的功能和用途。指令编码指令由操作码和地址码等部分组成,采用二进制编码方式表示。操作码确定指令的功能,地址码指定操作数的位置。汇编语言汇编语言是一种高级语言,可以直接表示机器指令,为程序设计提供了更优雅的方式。指令执行过程1读取指令从内存中读取下一条指令2解码指令确定指令的类型和操作数3执行指令依据指令的类型执行相应的操作4存储结果将执行结果保存到指定的目的地微处理器指令执行的基本过程包括读取指令、解码指令、执行指令和存储结果四个步骤。这个过程循环重复,依次执行每一条指令,最终完成程序的运行。每一步都需要处理器精准高效的协调配合,以确保指令正确地被执行。寄存器组1通用寄存器包括累加器、索引寄存器、基址寄存器等,用于存储和操作数据。2状态寄存器记录CPU执行指令后的各种状态信息,如进位、溢出等标志位。3指令指针寄存器存储当前执行指令的地址,用于指导CPU取指和执行指令。4栈指针寄存器指向栈顶,用于实现子程序调用和中断处理时的数据保护。常见指令算术逻辑指令包括加、减、乘、除、逻辑与或非等基本运算指令,可对数据进行各种算术逻辑运算。数据传送指令用于在寄存器、存储器和输入输出设备之间传送数据,如MOV、LOAD、STORE等指令。控制转移指令用于改变程序执行的顺序,如JMP、CALL、RET等跳转指令。特殊功能指令包括中断响应指令、多任务切换指令等,用于实现特殊的系统功能。算数逻辑运算指令1加法和减法指令实现对二进制数的加法和减法运算,是微处理器最基本的算术功能之一。2逻辑运算指令包括与、或、非、异或等逻辑运算,为程序的条件判断和数据处理提供基础。3移位指令实现对二进制数据的左移和右移操作,在数据运算和格式转换中有广泛应用。4比较指令用于对两个操作数进行大小比较,配合跳转指令可实现复杂的逻辑判断。数据传送指令数据移动数据传送指令用于在寄存器、内存和I/O设备之间移动数据。包括MOV、PUSH、POP等指令。块传输MOVS、CMPS、SCAS等指令可以进行块数据传输,提高了数据传输的效率。输入输出IN、OUT指令用于实现数据在CPU和I/O设备之间的传输。地址转换XLAT指令用于字符码的转换,在输入输出操作中很有用。控制转移指令条件转移指令这类指令可根据特定条件决定程序的执行流程，如JZ(跳转条件满足时跳转)、JNZ(跳转条件不满足时跳转)等。无条件转移指令这种指令会无条件改变程序计数器的值,如JMP(无条件跳转)。它们可用于实现循环、分支等控制结构。子程序调用指令CALL指令可调用子程序,将返回地址压入栈中;RET指令则从栈中取出返回地址,并跳转回主程序。中断返回指令IRET指令用于从中断服务程序中返回,它会从栈中恢复程序状态和返回地址。子程序指令子程序调用子程序指令实现了程序模块化,通过CALL和RET指令实现子程序的调用和返回,提高了代码复用性和可维护性。内存管理子程序在栈中保存返回地址,实现了在多个模块间的平滑跳转,并合理分配内存资源。执行过程子程序指令控制程序的执行流程,根据不同的任务需求有条理地组织代码,提升运行效率。串行通信接口异步通信串行通信接口支持异步通信模式,发送设备和接收设备无需事先同步时钟,可独立工作。灵活协议串行通信接口可采用多种协议,如RS-232、RS-422、RS-485等,满足不同应用场景的需求。可靠传输串行通信接口通过校验码和重传机制确保数据传输的可靠性,提高通信的稳定性。广泛应用串行通信接口广泛应用于微控制器、工业设备、通讯设备等领域,是微机系统中重要的通信接口。并行接口快速传输数据并行接口能同时传输多个比特位，大幅提高数据传输速度。适用于需要快速传输大量数据的场景。标准通信协议常见的并行接口标准包括IEEE-488、Centronics等,遵循统一的通信协议,确保硬件兼容性。简单接口结构并行接口通常由数据总线、地址总线和控制总线组成,接口电路相对简单,易于实现。专用传输线并行接口使用专用的并行传输线,减少了传输线路的复杂度和线路干扰,提高了可靠性。存储器接口内存接口内存接口负责连接CPU和内存设备,实现数据的读写和地址映射。外围设备接口外围设备接口用于连接磁盘、键盘、显示器等输入输出设备,支持数据传输。接口芯片专用的接口芯片负责协调和控制各类外围设备与CPU之间的通信。DMA控制什么是DMA控制?DMA（DirectMemoryAccess）控制是一种在不经过CPU的情况下,直接在内存和外围设备之间进行数据传输的技术。它提高了数据传输效率,降低了对CPU的占用。DMA控制的工作原理DMA控制器独立于CPU工作,负责控制内存和外设之间的数据传输。在传输期间,CPU可以执行其他任务,提高整个系统的并行性和效率。DMA控制的优势提高数据传输效率减轻CPU负担,提高系统性能支持高速数据传输适用于大数据量的传输场景DMA控制的应用场景DMA控制广泛应用于外围设备与内存之间的数据传输,如硬盘、声卡、显卡等,可以大幅提高系统的整体性能。定时器/计数器定时器定时器是一种定期产生时间脉冲的电路,用于控制系统的时序。微机系统中常用于产生系统内部时钟、执行定时操作、测量时间间隔等。计数器计数器是一种对输入脉冲进行计数的电路,可用于记录事件的发生次数、测量频率、或实现分频功能。是微机系统中重要的外围电路。集成应用定时器和计数器通常集成在微处理器或专用集成电路中,形成一个完整的定时/计数功能模块,为微机系统提供高度集成的计时控制。中断处理1中断类型按照产生原因不同,中断可分为硬件中断和软件中断。硬件中断由外围设备产生,软件中断由程序执行时产生。2中断处理过程当发生中断时,CPU会暂时中止当前程序的执行,转去服务中断请求,并在中断服务程序结束后返回原来的程序。3中断优先级当多个中断同时发生时,CPU会根据事先设置的优先级顺序依次处理这些中断请求。4中断屏蔽CPU可以对某些中断请求进行屏蔽,暂时不予受理,以保证重要任务的优先执行。8086处理器8086处理器是由英特尔公司在1978年推出的16位微处理器,被广泛应用于个人电脑、工控系统等领域。它采用CISC(复杂指令集)体系结构,具有丰富的指令集和寻址模式,是一款功能强大、性能优异的处理器。8086处理器采用串行传输数据总线,数据宽度为16位。它内置8个通用寄存器、4个段寄存器和一些专用寄存器,可以执行各种算术逻辑运算、数据传输和程序控制指令。80386处理器80386是一款于1985年推出的32位CPU处理器,旨在扩展8086和80286的功能。它拥有更强大的运算能力、更丰富的指令集和更大的寻址范围。相比之前的处理器,80386提供了虚拟内存管理和分段内存管理等新特性,大大提升了系统性能和安全性。80386可以运行16位和32位应用程序,向下兼容早期8086和80286处理器,为用户提供无缝的升级体验。凭借其出色的性能和灵活性,80386在PC机市场上获得了广泛应用。80486处理器Intel80486处理器是80x86系列微处理器的第四代产品,于1989年正式推出,标志着个人计算机处理能力的一次重大飞跃。它采用32位架构,集成度高,运算速度快,可靠性强,为当时的高性能计算机应用提供了强大的硬件支持。80486处理器拥有内置数学协处理器、内置高级缓存等先进特性,能够有效提升系统整体性能。它采用超标量的流水线架构,采用静态调度和动态调度相结合的方式执行指令,从而大幅提升了处理能力。Pentium处理器Pentium处理器是英特尔公司于1993年推出的第五代微处理器。它采用了CISC(复杂指令集计算机)架构,拥有更强大的运算能力和更高的工作频率。Pentium处理器引入了超标量技术,可同时执行多条指令,大幅提高了性能。同时它还支持多媒体指令集,为图形和视频处理带来了新的突破。微机系统的扩展硬件扩展微机系统可以通过增加外围设备如显示器、键盘、鼠标等进行硬件扩展,以满足更复杂的应用需求。此外,还可以增加存储器、通信接口等来实现更强大的功能。软件扩展微机系统还可以通过安装不同的操作系统和应用软件进行功能扩展。从基本的文字处理到复杂的多媒体编辑,软件